BAB III PERANCANGAN -...

12

BAB III

PERANCANGAN

Pada bab ini berisi perancangan pedoman praktikum dan perancangan pengujian pedoman

praktikum dengan menggunakan current feedback op-amp.

3.1. Perancangan pedoman praktikum

Pada pelaksanaan tugas akir dengan judul Modul Praktikum Current Feedback

Operational Amplifier, dibuat 8 buah topik praktikum/ modul praktikum yang menggunakan

op-amp current feedback sebagai komponen utamanya, topik – topik ini diantaranya:

Topik 1: Pengukuran Karakteristik Op-amp CFA

Topik 2: Karakteristik Rangkaian Dasar Op-amp CFA (penguat membalik,

penguat tak membalik, penguat penjumlah)

Topik 3: Pembatasan Lebar Pita Pada Penguat Berbasis CFA

Topik 4: Integrator Berbasis Op-amp CFA

Topik 5: Respon Transien pada Penguat berbasis Op-amp CFA

Topik 6: Penguat Selisih dan Penguat Instrumentasi berbasis CFA

Topik 7: Tapis-Tapis Aktif Berbasis Op-amp CFA

Topik 8: Penguat Photocurrent berbasis op-amp CFA

Dengan format masing-masing topiknya adalah sebagai berikut:

Tujuan

Dasar Teori

Langkah-langkah praktikum

Hasil pengukuran

Analisis hasil praktikum

Kesimpulan

Daftar Pustaka

13

Tipe op-amp yang digunakan pada tugas akir ini adalah LT-1227 buatan dari Linear

Technology dengan konfigurasi pin-nya sebagai berikut:

Gambar 3.1. Konfigurasi pin LT-1227

3.2. Perancangan Pedoman Praktikum

Berikut perancangan masing-masing topik praktikum.

3.2.1. Pengukuran Karakteristik Op-amp CFA (Lampiran A)

Tujuan dari topik yang pertama ini adalah Menganalisis dan mempelajari

karakteristik dari op-amp current feedback meliputi transimpedans (Z) hambatan

masukan (Rin) untuk kaki inverting dan non-inverting, nilai keluaran maksimum

(Vomax), dan Slewrate (SR), sehingga dapat mengetahui cara kerja dan kelebihan

dari dari op-amp current feedback ini.

Sehingga pada topik ini dibagi menjadi 4 sub topik yaitu:

Pengukuran hambatan masukan kaki inverting dan non-inverting opamp (Rin)

pengukuran nilai Transimpedansi

Pengukuran Tegangan Keluaran Maksimum (Vomax)

Pengukuran Slewrate op-amp Current feedback (SR)

14

3.2.1.1. Pengukuran hambatan masukan kaki inverting dan non-inverting opamp

(Rin)

Untuk mencari nilai hambatan masukan pada CFA, dilakukan percobaaan

dengan rangkaian sebagai berikut.

(a) (b)

Gambar 3.2.(a). Rangkaian pengukur hambatan masukan kaki non inverting

Gambar 3.2.(b). Rangkaian pengukur hambatan masukan kaki inverting

Gambar 3.2(a) merupakan rangkaian untuk mencari nilai hambatan masukan

pada kaki non-inverting dengan mengukur tegangan pada titik A ,sedangkan

gambar 3.2(b) merupakan rangkaian untuk mencari hambatan masukan pada

kaki inverting dengan mengukur tegangan pada titik b. Untuk pengukuran

hambatan masukan pada kaki non-inverting dilakukan pada beberapa nilai

frekuensi masukan, untuk mengetahui respon terhadap perubahan frekuensi

masukan.

Metode pencarian hambatan masukan ini mengacu pada gambar internal

CFA sebagai berikut:

Gambar 3.3. Internal CFA

15

3.2.1.2. Pengukuran nilai Transimpedansi

Percobaan untuk mencari transimpedansi ini digunakan sebuah rangkaian

penguat tak membalik dengan nilai resistor penyusun yang sama, sehingga nilai

penguatan yang diharapkan sebesar 2 kali, pada percobaan ini juga dilakukan

dengan mengubah-ubah nilai frekuensi masukan untuk mengetahui respon

frekuensi Transimpedansi (Z).

Gambar 3.4. Rangkaian pengukur transimpedansi

Setelah didapatkan nilai Vo, nilai Transimpedansi dicari dengan melakukan

perhitungan sesuai dengan persamaan 2.9.

Percobaan juga dilakukan dengan mengubah-ubah nilai R1 dan R2 menjadi

10kΩ, 100kΩ, 200kΩ.

3.2.1.3. Pengukuran Tegangan Keluaran Maksimum

Untuk pengukuran Vomax dirangkai sebuah penguat membalik dan penguat tak

membalik sebagai berikut.

Gambar 3.5. Untai penguat membalik untuk mencari Vomax

16

Gambar 3.6. Untai penguat non-inverting untuk mencari Vomax

Masing- masing rangkaian dilakukan percobaan dengan mengubah- ubah nilai

V3 (sebagai tegangan masukan) hingga sinyal keluaran Vo terjadi pemotongan

(clipping).

3.2.1.4. Pengukuran Slew rate op-amp Current Feedback

Untuk melakukan pengukuran Slew rate op-amp Current Feedback

dirangkai sebuah rangkain penguat tak membalik dengan sinyal masukan kotak

1kHz 1Vpp dan penguatan 10 kali untuk kemudian diamati nilai slewrate-nya

(SR = ∆Vo/∆t).

Gambar 3.7. Rangkaian pengukuran slew rate

3.2.2. Karakteristik Rangkaian Dasar Op-amp CFA (penguat membalik, penguat tak

membalik, penguat penjumlah. Lampiran B)

Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari aplikasi op-amp current feedback

sebagai rangkaian dasar penguat, yaitu penguat membalik, penguat tak membalik dan

penguat penjumlah

17

3.2.2.1. Penguat Tak Membalik

Gambar 3.8. Penguat tak membalik (non-inverting)

Percobaan dilakukan dengan menyusun rangkaian seperti pada gambar 3.8,

dengan mengasumsikan penguatan yang dihasilkan sebesar tiga kali kemudian

nilai resistor penyusunnya diperbesar untuk mengetahui apakah nilai

penguatannya turun dari tiga kali, jika ada penurunan nilai penguatan kemudian

dicari nilai transimpedansi menggunakan persamaan (2.9.).

Pada percobaan ini juga dilakukan pengubahan nilai frekuensi masukan untuk

mengetahui respon frekuensi CFA sebagai penguat tak membalik.

3.2.2.2. Penguat membalik (inverting)

Gambar 3.9. Rangkaian penguat inverting

18

Percobaan dilakukan dengan menyusun rangkaian seperti pada gambar 3.9,

dengan mengasumsikan penguatan yang dihasilkan sebesar dua kali kemudian

nilai resistor penyusunnya diperbesar untuk mengetahui apakah nilai

penguatannya turun dari dua kali, jika ada penurunan nilai penguatan kemudian

dicari nilai transimpedansi menggunakan persamaan (2.15).

Pada percobaan ini juga dilakukan pengubahan nilai frekuensi masukan untuk

mengetahui respon frekuensi CFA sebagai penguat membalik.

3.2.2.3. Penguat Penjumlah (Summing Amplifier)

Gambar 3.10. Rangkaian Penguat penjumlah

Pada percobaan penguat penjumlah disusun rangkaian seperti gambar 3.10.

Dengan diberi sinyal masukan kotak 1kHz 2Vpp, percobaan dilakukan dengan

mengubah-ubah nilai resistor penyusunnya untuk kemudian dibandingkan

dengan persamaan yang berlaku pada penguat penjumlah yaitu sebagai berikut.

�� = −(�� + ��)

1��

1� +

1��

(3.1)

�� = −(�� + ��)��

��(3.2)

Dimana :

Vout = tegangan keluaran

19

Vin1 = tegangan masukan melalui R1

Vin2 = tegangan masukan melalui R2

Z = nilai transimpedansi

Persamaan 3.1 adalah persamaan yang digunakan jika penguatan yang

dihasilkan turun dari yang diharapkan, sedangkan persamaan 3.2 adalah

persamaan penguat penjumlah seperti pada penggunaan VFA yang berlaku pada

praktikum jika nilai resistor umpan balik (ZF) nilainya jauh lebih kecil dari nilai

Z (transimpedansi).

3.2.3. Pembatasan Lebar Pita Pada Penguat Berbasis CFA(Lampiran C)

Dengan tujuan Menganalisa kemampuan Current feedback op-amp dalam

menghasilkan lebarpita, terhadap perubahan hambatan umpan balik dan nilai

Vcc/Vee.

Pada topik yang ketiga ini, praktikum mengacu pada grafik bandwidth terhadap

tegangan supply yang terdapat pada datasheet LT-1227 yang ditunjukan pada

gambar 3.11. [3]

Gambar 3.11. Grafik Bandwidth vs tegangan supply LT-1227

Sehingga disusun sebuah rangkaian penguat non-inverting dengan penguatan 11

kali, yang kemudian diubah2 frekuensi masukannya untuk mendapatkan nilai

20

bandwidth. Percobaan juga dilakukan dengan mengubah2 resistor penyusunnya serta

nilai tegangan supply untuk membuktikan apakah nilai Gain Bandwith Product

(GBW) pada CFA konstan atau tidak. Berikut rangakaian yang dilakukan pada topik

yang ketiga.

Gambar 3.12. Untai penguat tak membalik untuk mencari bandwidth

3.2.4. Integrator Berbasis Op-amp CFA (Lampiran D)

Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari dan menganalisa cara kerja dari salah

satu aplikasi op-amp current feedback yaitu sebagai rangkaian integrator dan

diferensiator.

3.2.4.1. Integrator dengan CFA

Untuk percobaan integrator dengan menggunakan CFA disusun rangkaian

seperti pada gambar 3.13.

Gambar 3.13. Integrator dengan CFA

21

Dengan tegangan masukan (Vi) sinus 1Vpp kemudian diamati tegangan

keluaranya apakah sesuai dengan persamaan integrator yang ditunjukan pada

persamaan 3.3

�� = −1

�� (�)

�

�

(3.3)

Dimana :


Vin = tegangan masukan

R = nilai resistor yang dipasang pada posisi R1

C = nilai kapasitor yang dipasang pada untai integrator

Karena kelebihan dari CFA adalah dapat bekerja pada frekuensi tinggi maka

nilai komponen penyusunnya divariasikan untuk kemudian dibandingkan

sinyal keluarannya dengan hasil perhitungan apakah sesuai atau tidak

3.2.4.2. Diferensiator dengan CFA

Untuk percobaan diferensiator dengan menggunakan CFA disusun rangkaian

seperti pada gambar 3.14.

Gambar 3.14. diferensiator dengan CFA

Dengan tegangan masukan (Vi) sinus 1Vpp kemudian diamati tegangan

keluaranya apakah sesuai dengan persamaan diferensiator yang ditunjukan

pada persamaan 3.4

22

�� = −��

��(3.4)

Dimana :



R = nilai resistor yang dipasang pada posisi R1

C = nilai kapasitor yang dipasang pada untai integrator

Karena kelebihan dari CFA adalah dapat bekerja pada frekuensi tinggi maka

nilai komponen penyusunnya divariasikan untuk kemudian dibandingkan

sinyal keluarannya dengan hasil perhitungan matematis apakah sesuai atau

tidak.

3.2.5. Respon Transien pada Op-amp CFA (Lampiran E)

Dengan tujuan menganalisa dan mempelajari salah satu karakteristik dari op-amp

CFA yaitu kestabilan pada op-amp current feedback.

Percobaan dilakukan dengan membuat sebuah rangkaian penguat tak membalik

yang diberi sinyal masukan kotak 1kHz 15Vpp dengan penguatan sebesar 2 kali.

Seperti pada gambar 3.15.

Gambar 3.15. Rangkaian penguat tak membalik untuk mencari stabilitas CFA

23

Kemudian pada pengamatan sinyal keluaran dilakukan pengaturan time/div,

Volt/div, dan probe yang digunakan, agar sinyal keluaran menyerupai sinyal

keluaran rangkaian R L C seri dalam keadaan underdamped seperti yang ditunjukan

oleh gambar 3.16.

Gambar 3.16. Sinyal keluaran RLC seri underdamped

Sehingga didapatkan nilai maximum overshoot (Mp), peak time (tp), dan, TD.

Selain itu dilakukan juga penggantian nilai resistor penyusunnya untuk mengetahui

pengaruhnya pada sinyal keluaran.

Setelah didapatkan nilai maximum overshoot (Mp), peak time (tp), dan, TD.

Kemudian dicari nilai R L dan C untuk mendapatkan persamaan orde dua yang

berlaku pada CFA, dengan menggunakan persamaan – bersamaan berikut:

�� = �

��

�� = maximum overshoot (3.5)

�� =�

⍵�� =waktu puncak (3.6)

� =�

��

�

� = damping ratio (3.7)

24

⍵� =��

��= �⍵�

� − ��=frekuensi alamiah teredam (3.8)

� =�

� = damping factor (3.9)

⍵� =�

√�� = frekuensi alamiah tak teredam (3.10)

Setelah didapatkan nilai R, L dan C persamaan orde dua yang berlaku pada CFA

dicari berdasarkan analogi rangkaian RLC seri sebagai berikut:

Gambar 3.17. Rangkaian RLC seri

��

��=

1��

�

�� + �� + 1��

�(3.11)

��

��=

1

��(��) + �� + 1(3.12)

3.2.6. Penguat selisih dan penguat instrumentasi berbasis op-amp CFA (Lampiran F)

Percobaan ini bertujuan mempelajari penggunaan atau aplikasi op-amp current

feedback sebagai penguat selisih dan penguat instrumentasi.

25

3.2.6.1. Penguat selisih (Differential Amplifier)

Gambar 3.18. Rangkaian Penguat selisih

Pada percobaan penguat selisih disusun rangkaian seperti gambar 21 dimana

sinyal masukan Vi1 berupa sinyal sinus 1Vpp kemudian tersambung pada sebuah

pembagi tegangan yang tersusun dari 1buah potensiometer sehingga dapat diatur

besar tegangan Vi2. Kemudian nilai tegangan keluaran dibandingkan dengan

hasil perhitungan matematis yang sesuai dengan persamaan (3.13).

�� = �� − �� 2

�1�(3.13)

Dimana :

Vo = tegangan keluaran

Vi1 = tegangan masukan utama

Vi2 = tegangan masukan setelah melalui pembagi tegangan

R1 = nilai resistor pada posisi R1 (sesuai gambar)


Pada percobaaan ini juga dilakukan pengubahan nilai-nilai resistor penyusun

yang masing akan dibandingkan hasilnya dengan perhitungan matematis.

26

3.2.6.2. Penguat instrumentasi

Gambar 3.19. Rangkaian penguat instrumentasi

Pada percobaan penguat instrumentasi disusun rangkaian seperti pada gambar

3.19. Dengan Vi1 1Vpp dan Vi2 diatur menjadi setengah dari Vi1. Kemudian

diamati nilai Vo1 nilai Vo2 dan Vo, untuk kemudian dibandingkan dengan

perhitungan matematis sesuai dengan persamaan berikut:

��1 = ��1 +�7

�8� × ��1� − ��

�7

�8� × ��2�(3.14)

��2 = ��1 +�7

�8� × ��2� − ��

�7

�8� × ��1�(3.15)

�� = ��2 − ��1 ��2

�1�(3.16)

27

Dimana :

Vo = tegangan keluaran akir

Vi1 = tegangan masukan utama

Vi2 = tegangan masukan setelah melalui pembagi tegangan

Vo1 = tegangan keluaran U2 pada gambar 3.19

Vo2 = tegangan keluaran U3 pada gambar 3.19

3.2.7. Tapis-Tapis Aktif Berbasis Op-amp CFA (Lampiran G)

Dengan tujuan menganalisa dan mempelajari aplikasi current feedback op-amp

sebagai suatu rangkaian tapis aktif (active filter) diantaranya yaitu lowpass filter dan

High pass filter.

Low pass fiter atau tapis lolos bawah adalah filter yang meloloskan frekuensi

masukan yang nilai frekuensinya lebih kecil dari frekuensi cut-off, jika frekuensi

masukannya lebih besar dari frekuensi cut-off maka amplitude sinyal akan mengecil,

idealnya pada hal ini sinyal masukan sama sekali tidak diloloskan. Berikut gambar

rangkaian.

Gambar 3.20. Rangkaian dan lowpass filter orde 1

Gambar rangkaian diaatas merupakan rangkaian lowpass filter orde 1 dengan

persamaan sebagai berikut.

�� = 1 +�2

�1�� ×

1

1 + ��(3.17)

28

��

��=

1 +�2�1

1 + ��(3.18)

��

��=

1 +�2�1

1 +�

⍵c

(3.19)

Dimana :

Vout = tegangan keluaran akir




R = nilai resistor pada posisi R (sesuai gambar)

C = nilai resistor pada posisi c (sesuai gambar)

⍵c = 2πfc =�

��

High pass filter atau tapis lolos atas adalah sebuah rangkaian tapis yang

meloloskan sinyal inputan yang frekuensinya lebih tinggi daripada frekuensi

penggal, dan akan melemahkan sinyal masukan yang frekuensinya lebih kecil dari

frekuensi penggal. Berikut gambar rangkaian high pass filter dan respon

frekuensinya.

Gambar 3.21. Rangkaian high pass filter orde 1

29

Gambar rangkaian diatas merupakan rangkaian highpass filter orde 1 dengan


�� = 1 +�2

�1�� ×

1

1 +1

��

�(3.20)

��

��=

1 +�2�1

1 +1

��

(3.21)

��

��=

1 +�2�1

1 +⍵c�

(3.22)

Dimana :





R = nilai resistor pada posisi R (sesuai gambar)

C = nilai resistor pada posisi c (sesuai gambar)

⍵c = 2πfc =�

��

Semakin tinggi orde tapis yang digunakan, maka hasil filter yang didapatkan

semakin mendekati dengan sifat idealnya, artinya ketika frekuensi masukan sesuai

dengan frekuensi penggal (fc) amplitudo keluarannya nol. Hal ini berlaku juga untuk

highpass filter. Berikut contoh respon frekuensi tiap orde tapis pada low pass filter

dengan metode butterworth filter. [9]

Untuk mencari transfer fungsi yang berlaku pada tapis orde dua, digunakan

topologi voltage controlled voltage source

berikut:

Gambar diatas merupakan rangkaian tapis orde dua dimana nilai Z1 sampai Z4

bisa berupa resistor maupun kapasitor tergantung dari rangkaian yang ingin dibuat,

apakah berupa lowpass filter

Dengan menggunakan hu

�� − ��

��

30

Gambar 3.22. Respon frekuensi butterworth filter


voltage controlled voltage source (VCVS) atau topologi Sallen K

Gambar 3.23. VCVS (voltage controlled voltage source)



lowpass filter atau Highpass filter.[8]

Dengan menggunakan hukum kirchoff didapatkan persamaan sebagai berikut

+�� − ��

��−

��

�� + ��= 0(3


topologi Sallen Key sebagai

)




3.23)

31

��

��+

��

��− ��

1

��+

1

��+

1

�� + �� = 0(3.24)

Karena, �� = ��

�� ,dimana K adalah nilai penguatan op-amp maka

persamaan menjadi:

��

��+

��

��−

��(�� + ��)

��

1

��+

1

��+

1

�� + �� = 0

��

��=

1

�� −1

��+

(�� + ��)��

�1

��+

1��

+1

�� + ��

��

��=

1

−��

��+

(�� + ��)��

+(�� + ��)��

��+

��

��

��

��=

�

−��

�� + �

��

��+ 1�

��

��+

��

��+ 1 +

��

��

��

��=

�

��

��(1 − �) +

��

��+ 1 +

1��

(�� + ��)(3.25)

Dimana :



Z1, Z2, Z3, Z4 = nilai impedansi sesuai pada gambar (dapat berupa

R maupun C)

K = nilai penguatan CFA

32

Dengan memanfaatkan persamaan 3.20 maka transfer fungsi untuk lowpass filter

maupun highpass filter dapat ditemukan dengan subtitusi masing2 nilai dari Z1

sampai Z4 yaitu sebagai berikut:

Untuk Low Pass Filter orde 2

Gambar 3.24. Rangkaian lowpass filter orde 2

Dengan subtitusi Z1=R1, Z2=R2, Z3=1/sC3, dan Z4=1/sC4, maka transfer fungsi

untuk Lowpass Filter adalah

�(�) =�

1 + ��(�� + ��) + ��(1 − �) + ��=

� ′

�� +⍵�

�� + ⍵�

�(3.26)

Untuk Highpass filter orde 2

Gambar 3.25. Rangkaian highpass filter orde 2

Dengan cara yang sama yaitu subtitusi nilai Z didapatkan H(s) sebagai berikut

33

�(�) =��

�� + � �1

��+

1��

+1

��(1 − �)� +

1��

=�′��

�� +⍵�

�� + ⍵�

�(3.27)

Pada topik ke-7 ini dilakukan percobaan untuk masing2 rangkaian filter,

dilakukan dengan mengvariasikan frekuensi masukan agar dapat mengetahui respon

frekuensi dari masing-masing filter, selain itu juga dilakukan pengubahan nilai

resistor yang mempengaruhi nilai penguatan untuk membuktikan perbedaannya

dengan penggunaan Voltage feedback amplifier.

3.2.8. Penguat Photocurrent berbasisi op-amp CFA (Lampiran H)

Dengan tujuan mempelajari dan menganalisa cara kerja dari salah satu aplikasi op-

amp Current Feedback sebagai sebuah penguat photocurrent.

Penguat photocurrent yang dipelajari pada percobaan kali ini memanfaatkan photodioda

sebagai komponen utamanya, dimana photodiode merupakan salah satu komponen yang

peka terhadap cahaya, resistansi pada photodiode akan berubah-ubah apabila intensitas

cahaya yang diberikan pada photodiode berubah-ubah. Pada keaadaan gelap atau tidak

ada cahaya yang masuk ke photodiode nilai resistansinya akan sangat besar sehingga

tidak ada arus yang mengalir, sebaliknya semakin besar cahaya yang jatuh pada

photodiode nilai resistansinya semakin kecil dan arus yang mengalir semakin besar.

Berikut symbol photodiode:

Gambar 3.26. Symbol photodiode

Dengan memanfaatkan sifat dan carakerja dari photodiode tersebut dibuat sebuah

rangkaian penguat yang memanfaatkan arus keluaran dari photodiode untuk dikonversi

menjadi tegangan. Rangkaian ini dikenal dengan penguat photocurrent atau penguat

transimpedansi. [10] Berikut gambar rangkaiannya:

Rangkaian diatas memanfaatkan arus listrik yang dikeluarkan oleh photodiode

sebagai masukan (IP), untuk kemudian diubah menjadi tegangan. sehingga nilai

penguatan yang berlaku pada rangkaian diatas adalah

� =��

��

Sedangkan nilai Vout adalah

�� = (��||

�� =1 + 1

,sehingga nilai A(penguatan)

� =1

1 + 1��

Dimana :

Vout

Ip

34

Gambar 3.27. Rangkaian penguat Photocurrent



penguatan yang berlaku pada rangkaian diatas adalah .

(3

Sedangkan nilai Vout adalah

|��) × ��(3

1

1��

�× ��(3

(penguatan) adalah

��

(

= tegangan keluaran akir

= arus photodioda



3.28)

3.29)

3.30)

(3.31)

35

Rf = nilai resistor pada posisi Rf (sesuai gambar)

Cf = nilai resistor pada posisi Cf (sesuai gambar)

Dipasangnya capasitor Cf pada rangkaian membuat rangkaian menjadi sebuah Low

pass filter, hal ini untuk menjaga dari terjadinya noise pada tegangan keluaran, sehingga

nilai capasitor Cf dipilih nilai yang kecil agar op-amp CFA dapat bekerja pada frekuensi

yang tinggi.

BAB III PERANCANGAN -...

Documents

Transcript of BAB III PERANCANGAN -...